云南哈巴雪山生態(tài)系統(tǒng)時空變化分析

楊凱悅，王一凱，李卓卿，周汝良

(1.西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224； 2.云南省環(huán)境科學研究院，云南 昆明 650034)

云南哈巴雪山生態(tài)系統(tǒng)時空變化分析

楊凱悅1，王一凱1，李卓卿2，周汝良1

(1.西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224； 2.云南省環(huán)境科學研究院，云南 昆明 650034)

利用遙感和GIS技術方法，對哈巴雪山2000—2010年TM影像進行人工目視解譯得到研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，并對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局時空變化特征進行分析。結果表明：①研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的格局變化主要集中在2000—2005年，而2005—2010年變化劇烈程度減緩，生態(tài)類型的變化主要集中在人為活動最為集中的金沙江流域的河谷區(qū)域；②生態(tài)格局分布的總體變化特征是：農(nóng)地轉(zhuǎn)化為居住用地、冰川/永久積雪和河流湖泊轉(zhuǎn)化為草地或林地。人為因素對森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境保護產(chǎn)生了積極影響，而對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了一定干擾。

哈巴雪山；生態(tài)系統(tǒng)；時空變化

滇西北是云南生態(tài)系統(tǒng)最復雜的地區(qū)之一，由于海拔高差大，氣候差異顯著，該區(qū)域生物多樣性極為豐富、獨特，生態(tài)區(qū)位極其重要。生態(tài)系統(tǒng)的變化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的直接結果[1]，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要指示作用[2-3]，因此，對滇西北區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化情況進行研究，從而促進該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護是非常有意義的。目前，已有的研究多針對云南省植被覆蓋變化的某一特定現(xiàn)象，如森林覆蓋與其他土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化、森林覆蓋的結構特點等單獨進行研究，而缺乏對某一生態(tài)系統(tǒng)在一定時空范圍內(nèi)的分布、變化情況的系統(tǒng)討論[4-6]。為了更好地維護自然保護區(qū)的生態(tài)價值，保護其社會價值，進而對保護區(qū)內(nèi)的時空分布進行研究和分析。此前，許多專家學者已經(jīng)在土地和耕地利用方面都進行過時空方向的分析[7-12]，也有關于生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)方面進行的時空分析[13]，還有運用生態(tài)足跡模型的方法[14]和提取影響因子[15]等方法進行生態(tài)環(huán)境的時空分析，都是運用各類指數(shù)在時空尺度上對分布、格局及其變化進行相關研究。因此，本研究以遙感技術為手段，利用高空影像和保護區(qū)數(shù)據(jù)，以2010年省級自然保護區(qū)邊界為基礎，通過對哈巴雪山10 a間典型生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局，各生態(tài)類型時空特征、相互轉(zhuǎn)換情況以及變化趨勢進行分析，試圖闡明哈巴雪山自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的分布特征及時空變化規(guī)律。以期從另一種角度為哈巴雪山乃至整個滇西北地區(qū)的生物多樣性保護以及經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境全面、協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

哈巴雪山位于滇西北迪慶藏族自治州香格里拉縣東南部，在大地構造上屬揚子準地臺西緣“鹽源-麗江臺緣拗陷”[16-18]，是三江并流世界自然遺產(chǎn)地的重要組成部分[19]。哈巴雪山主峰海拔5396 m，最低點則位于金沙河谷，海拔1550 m，與主峰之間的相對高差為3846 m。從金沙江河谷到哈巴雪山主峰，依次發(fā)育有河谷中亞熱帶、山地北亞熱帶、山地暖溫帶、山地中溫帶、山地寒溫帶、高山寒帶、高山冰雪帶等氣候類型，擁有該緯度帶完整的山地氣候垂直帶譜[20]。區(qū)域年均溫14.5 ℃，>10 ℃的年積溫4414.2 ℃，年均降水量738.1 mm。夏秋季節(jié)受西南暖濕氣流控制，溫度較高、降水多，雨熱同季；冬春季節(jié)主要受南支西風急流影響，偶爾受偏北干冷氣流控制，氣溫低、降水少，干冷同季[21-23]。

根據(jù)《云南植被》區(qū)劃系統(tǒng)，哈巴雪山處于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域的西北部，與青藏高原高寒植被區(qū)域相接，屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域向青藏高原高寒植被區(qū)域的過渡地帶，為亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域中的滇中西北部高中山高原云南松林、云杉、冷杉林亞區(qū)[24]。但從哈巴雪山的植被垂直分布上分析，更體現(xiàn)了青藏高原高寒植被區(qū)域中青藏高原東南緣寒溫性針葉林、草甸地帶的特征[25-26]。為了便于對不同時期哈巴雪山生態(tài)環(huán)境的變化情況進行比較研究，同時考慮到哈巴雪山生態(tài)系統(tǒng)功能的相對完整性，本次選取哈巴雪山省級自然保護區(qū)為研究區(qū)范圍。哈巴雪山省級自然保護區(qū)位于北緯27°10′00″—27°24′28″、東經(jīng)100°02′18″—100°14′30″，南北長25 km，東西寬20 km，總面積21901.6233 hm2[27]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 本研究數(shù)據(jù)源為2000年、2005年、2010年的3期Landsat TM影像，其空間分辨率均為30 m，影像的云覆蓋均小于5%。針對研究區(qū)特殊的地理環(huán)境與干濕分明的氣候條件，同時考慮到雨季云霧的影響，影像獲取時間全部選擇5月，其中，2000年、2010年影像獲取時間均為5月上旬；2005年影像獲取時間為5月中旬。

由于遙感影像對地物的精細刻畫程度不同，加之地物復雜程度不同，此外傳感器接收的輻射信息也會受大氣、太陽高度角、地物本身等因素影響，使得“同物異譜”、“同譜異物”現(xiàn)象時常發(fā)生，從而影響了計算機自動提取的分類精度。而目視解譯是專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗和知識，對遙感圖像提取地物特征信息的過程，避免了由于計算機自動判讀而造成的明顯的地物識別誤差。因而目視解譯法便成為目前最常規(guī)也最準確的地物識別方法[28]。在對遙感影像進行目視解譯時，主要提取保護區(qū)內(nèi)的工礦、旅游區(qū)、農(nóng)田、養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)居民點、道路、鹽場、人工建筑等人類活動信息，使用ArcGIS 10.0將所有地圖數(shù)據(jù)的投影坐標系統(tǒng)統(tǒng)一到高斯克里格北京1954六度帶投影坐標系統(tǒng)下；使用Google Earth提供的高分辨率影像、森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的定標采用ENVI下自帶的Landsat定標工具“Landsat Calibration”，影像的大氣校正采用FLAASH模型。然后以2005年香格里拉縣的SPOT影像為參考對3幅Landsat影像進行幾何精校正，校正誤差不超過0.5個像元。最后根據(jù)研究區(qū)域的范圍對影像進行裁剪，得到研究區(qū)的影像。

1.2.2 地理信息數(shù)據(jù) 本研究采用云南省1∶5萬基礎地理信息數(shù)據(jù)，包含有研究區(qū)的村莊(人口密集區(qū))、公路、河流等信息，同時利用ArcGIS軟件對保護區(qū)的功能區(qū)分布示意圖矢量化得到研究區(qū)的邊界以及功能分區(qū)矢量數(shù)據(jù)。

1.2.3 調(diào)查與觀測資料 本研究在對研究區(qū)進行實地野外調(diào)查時收集的哈巴雪山自然保護區(qū)(2010—2020)總體規(guī)劃，以及收集整理得到的森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)的獲取 本項研究采用人機交互的目視解譯法，結合Google Earth高分辨率影像以及哈巴雪山植被分布圖等資料進行解譯，解譯的生態(tài)類型分為6種，分別為森林、草地、河流湖泊、居住地、農(nóng)地、冰川/永久積雪，并以5 a為一個間隔，得到2000年、2005年、2010年3個年度的生態(tài)分類數(shù)據(jù)。由于海拔高度等原因，區(qū)域內(nèi)存在以高山草甸為主，高山灌叢、高山草甸與流石灘疏生草甸交錯分布而沒有明確分界的現(xiàn)象，在生態(tài)類型分類時，將這3類均歸結為草地。

1.3.2 人為干擾數(shù)據(jù)獲取 人為干擾主要是保護區(qū)的人為活動集中區(qū)，包括有居民點、農(nóng)田、道路以及一些其他人工用地。本研究以云南省基礎地理信息數(shù)據(jù)為參考獲取人類活動解譯數(shù)據(jù)。各類斑塊的面積及比例數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)所獲得的生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，可比較得出生態(tài)系統(tǒng)的格局變化的分布以及范圍變化，結合人為干擾數(shù)據(jù)，可究其變化原因及可能的變化趨勢，從而更加全面地分析哈巴雪山生態(tài)系統(tǒng)的時空變化情況。

表1 云南哈巴雪山典型自然保護區(qū) 人為干擾區(qū)面積/長度及比例

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)格局時空變化特征

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)分類統(tǒng)計分析，得到哈巴雪山自然保護區(qū)2000—2010年各生態(tài)類型面積分類統(tǒng)計結果，見圖1、表2。

類型2000年面積/hm2比例/%2005年面積/hm2比例/%2010年面積/hm2比例/%面積變化/hm22000—2005年2005—2010年2000—2010年森林11464 351252 3511467 637252 3611469 814052 373 28602 17685 4628草地6547 216629 896548 674529 906549 994529 911 45791 32002 7779河流湖泊57 80380 2655 51770 2552 44530 24-2 2861-3 0724-5 3585居住地151 74660 69172 27560 79177 96230 8120 52905 686726 2157農(nóng)地1051 98794 801030 45904 711024 56334 68-21 5289-5 8957-27 4246冰川/永久積雪2628 526912 002627 069012 002626 853611 99-1 4579-0 2154-1 6733

根據(jù)表2及圖1可知：哈巴雪山自然保護區(qū)各生態(tài)類型中，面積占比最大的是森林，依次是草地、冰川/永久積雪、農(nóng)地、居住地和河流湖泊。2000—2010年10 a間，各種生態(tài)類型的面積變化表現(xiàn)為三增三減：森林、草地、居住地面積增加，河流湖泊、農(nóng)地、冰川/永久積雪面積減少。其中，居住地與農(nóng)地的面積變化最為明顯，森林、草地、河流湖泊及冰川/永久積雪的面積變化幅度則較小，保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。而變化的區(qū)域則主要集中在保護區(qū)東部金沙江河谷。各生態(tài)類型具體變化情況為：①森林占比由2000年的52.35%提高到2010年的52.37%，面積增加了5.4628 hm2，漲幅前5 a比后5 a大。②草地占比由2000年的29.89%提高到2010年的29.90%，面積增加了2.7779 hm2，③與高山草甸相鄰的冰川/永久積雪的面積在10 a間減少了1.6733 hm2，這主要是由于受到氣候變暖的影響，同時這也是高山草甸面積增加的一個潛在原因。④河流湖泊面積10 a間減少了5.3585 hm2。區(qū)域河流主要為金沙江的支流，受河谷干熱氣候及近年來氣候變化異常的影響，近年來河流出現(xiàn)水位下降，從而導致了面積的縮減。⑤面積變化最大的是居住地和農(nóng)地，變化主要集中在2000—2005年，后5 a變化幅度僅為前5 a的25%左右。其中，居住地增加26.2157 hm2，農(nóng)地減少27.4246 hm2，增減接近于平衡。

2.2 各生態(tài)類型相互轉(zhuǎn)化時空特征

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)分類統(tǒng)計分析，得到哈巴雪山自然保護區(qū)2000—2010年各生態(tài)類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

由表3可以看出，2000—2010年研究區(qū)生態(tài)類型均有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，相對幅度較小，尤其表現(xiàn)在后5 a，所以土地利用結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。各生態(tài)類型主要轉(zhuǎn)換方向為由農(nóng)田、河流湖泊、冰川/永久積雪轉(zhuǎn)換為居住地、林地以及草地，轉(zhuǎn)換的劇烈程度從大到小依次為農(nóng)田>河流湖泊>冰川/永久積雪。各生態(tài)類型相互轉(zhuǎn)換對比表明，農(nóng)田轉(zhuǎn)換為居住地的面積最大，為26.2157 hm2，轉(zhuǎn)換主要集中在2000—2005年，后5 a變化較小。林地面積增加5.4628 hm2，來自于農(nóng)田、草地和河流湖泊的轉(zhuǎn)化，其中河流湖泊轉(zhuǎn)為林地的面積最大。草地增加2.7779 hm2則是由農(nóng)田、河流湖泊和冰川/永久積雪轉(zhuǎn)化而來。

2.3 各功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局時空變化特征

以哈巴雪山自然保護區(qū)功能區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)為基礎，按功能區(qū)(核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū))對生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分類后得到保護區(qū)生態(tài)類型分區(qū)統(tǒng)計表(表4)。

由表4可以看出，核心區(qū)內(nèi)分布面積最大的為森林，其次為草地、冰川/永久積雪，河流湖泊面積最小，無居住地和農(nóng)地。2000—2010年10 a間核心區(qū)面積變化最大的是草地，增加1.3964 hm2，而森林、河流湖泊以及冰川/永久積雪面積都有少量減少。在緩沖區(qū)內(nèi)有0.2225 hm2的居住地分布，主要供從事科學研究觀測活動的人員使用，且2000—2010年10 a間面積也有所減少。實驗區(qū)是10 a間變化最劇烈的區(qū)域，其中，森林面積增加4.4390 hm2，草地增加1.4967 hm2；河流湖泊減少5.0214 hm2，冰川/永久積雪減少0.0461 hm2；變化最大的則是居住地和農(nóng)田，居住地增加26.5564 hm2，農(nóng)田面積減少27.4250 hm2。

表4 哈巴雪山自然保護區(qū)生態(tài)類型分區(qū)變化統(tǒng)計 hm2

3 結論與討論

1)從2000—2010年10 a間生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)分析的結果看，農(nóng)地面積逐漸減少，并轉(zhuǎn)化為居住用地；冰川/永久積雪和河流湖泊面積減少，并轉(zhuǎn)化為草地或林地；森林、草地和居住用地面積逐漸增加。研究區(qū)生態(tài)類型的變化主要集中在人為活動最為集中的金沙江流域的河谷區(qū)域，生態(tài)類型變化最明顯的區(qū)域為實驗區(qū)，農(nóng)田向居住地的轉(zhuǎn)化最為明顯。可見人為活動是影響研究區(qū)生態(tài)格局的重要因素。

2)通過各生態(tài)類型面積變化情況可以了解到人為活動的頻繁程度與保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性是成正比的。研究區(qū)沒有出現(xiàn)因人類活動造成的大面積森林破壞和水土流失現(xiàn)象，森林、草地面積反而出現(xiàn)緩慢增長的趨勢，生態(tài)系統(tǒng)格局相對穩(wěn)定。從另一個側(cè)面反映了隨著政府生態(tài)環(huán)境保護力度的加強、措施的完善以及人們的生態(tài)環(huán)保意識的提高，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護起到積極的推動作用。

3)10 a間，冰川/永久積雪面積逐漸減小，表明研究區(qū)氣候暖化趨勢明顯，這也與全球氣候變化的大環(huán)境相符。氣候變化必然會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，集中表現(xiàn)在高山復合體生態(tài)系統(tǒng)的變化：由于氣溫升高，高山草甸、高山灌叢的生境海拔高度可能會向上延伸，從而對該生態(tài)系統(tǒng)的分布造成影響。高山復合體生態(tài)系統(tǒng)中分布有蟲草、雪茶等珍稀物種，對生物多樣性保護具有十分重要的意義，因此，開展氣候變化對該生態(tài)系統(tǒng)影響的研究是十分必要的，這也是課題組今后的一個研究方向。

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Spatial and Temporal Changes of Ecosystem in Haba Snow Mountain in Yunnan Province

YANG Kai-yue1，WANG Yi-kai1，LI Zhuo-qing2，ZHOU Ru-liang1

(1.SouthwestForestryUniversity，Kunming650224，Yunnan，China；2.YunnanInstituteofEnvironmentalScience，Kunming650034，Yunnan，China)

Using remote sensing and GIS technology，the ecosystem classification data of Haba Snow Mountain of the 2000—2010 TM images is obtained by interpreting.And the characteristics of spatial and temporal changes of ecological system in the study area are analyzed.The result shows that：①The areas of ecological system pattern change is mainly concentrated in 2000—2005，and the degree of change 2005—2010 is slow down.The changes of ecological types are mainly concentrated in the areas of the most concentrated human activities in the valley of the Jinsha River Basin；②The overall changes of ecological pattern distribution are that：The agricultural land are converted into residential land，and glacier and permanent snow and rivers and lakes are converted into grassland or woodland.Human factors have a positive impact on the environmental protection of forest ecosystems，but the stability of the agricultural ecosystem has been disturbed.

Haba Snow Mountain；ecosystem pattern；spatial and temporal changes

2015-04-03；

2015-06-13

云南省科技創(chuàng)新人才計劃項目(2014HC014)；云南省自然保護區(qū)10年生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查評估(312646)；云南省自然保護區(qū)基礎調(diào)查(212645)；云南省科技廳項目(便攜式森林火險及火場安全評估指數(shù)儀的研發(fā)與應用示范，2013BC003)

楊凱悅(1990—)，女(壯族)，河北唐山人，西南林業(yè)大學在讀碩士，從事3S技術在林業(yè)中的應用研究。E-mail：yangkaiyue1628@163.com。

周汝良，云南省環(huán)境科學研究院教授，從事GIS開發(fā)以及RS與GIS應用研究。E-mail：zhou_ruliang@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.021

Q149

A

1002-7351(2016)01-0094-05